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この賞は、北南米の低温、強磁場、表面科学の研究を行う若手科学者を支援するものです。 本年度の受賞者であるXiaomeng Liuさんが、この賞を受賞した意味、受賞に至った研究内容、そして今後の研究の方向性について語ってくれました。APS 3月大会で直接お会いし、賞を授与できることを大変嬉しく思います。
1. Lee Osheroff 科学賞を受賞した感想は？
LOR科学賞を受賞した尊敬すべき科学者の仲間入りをすることができ、大変光栄に思います。私の研究は、低温の単純な物質系における超流動のようなエキゾチックな量子状態の探索に重点を置いています。3He の超流動の発見者であるデイヴィッド M. リー、ダグラス D. オシェロフ、ロバート C. リチャードソンの名を冠したこの賞の受賞は、私にとっ て特別な意味をもっています。若手研究者を支援し、表彰するためにこの賞を設立したオックスフォード・インストゥルメンツ社に感謝するとともに、この栄誉を達成するために貴重な支援と指導をしてくれた指導教官と同僚に深く感謝しています。
ポスドク指導教官のAli Yazdani博士が私をLOR賞に推薦してくれたのは、就職活動の真っ只中のことでした。受賞の知らせを受けたのは現地訪問のときで、教員を探すという困難なプロセスの中で、本当に特別で思い出深い瞬間となりました。受賞の喜びに加えて、過去の受賞者の目覚ましい活躍を目の当たりにし、私の研究生活の将来に対する楽観的な気持ちが高まりました。
2. 応募された研究について、もう少し詳しく教えてください。
私は、2次元材料とそのファンデルワールスヘテロ構造を用いて、創発的な量子現象を作り出し、それを調べるための革新的な方法を開発することに重点を置いています。創発現象とは、多数の粒子が集まったときに自発的に生じる新しい振る舞いのことで、人間が社会を形成するときに生じる文化的行動のようなものです。2次元材料というプラットフォームは、新しい創発現象の発見を促す材料を設計・構築する上で非常に柔軟性があり、将来の量子技術開発への道を切り開くことができます。
博士課程では、薄い絶縁体で隔てられた2枚のグラフェンをクーロン結合させることで、励起子凝縮と呼ばれる超流体を設計しました。2つのグラフェン層の間の対の強さを調整することで、BEC-BCSクロスオーバーと呼ばれる重要なパラダイムにアクセスすることができました。この枠組みは、すべてのフェルミオン凝縮体の振る舞いを統一的に包含しており、多くの非従来型超伝導体に関連するものです。また、この二層構造では、より強い磁場下において、新しいタイプの分数量子ホール効果や特異な輸送特性を観測することができました。また、2枚の2層グラフェンをねじれ角をつけて直接積み重ねた別のタイプのヘテロ構造では、隣接する原子層間のモアレパターンを利用して、強相関量子状態を可能にする高消化バンドを作り出しました。
ポスドク研究では、高分解能イメージング技術、特に走査型トンネル顕微鏡（STM）を用いて、2次元ヘテロ構造における創発現象の理解を深めることに専念しています。私たちは、組み立てられたヘテロ構造に対して最先端のSTM研究を行うために必要な技術的専門知識を開発し、モアレ材料と量子ホール物理学におけるいくつかの差し迫った問題を明らかにしました。特に、量子ホール領域におけるランダウ軌道やスキルミオン励起のような興味深い構造のイメージングを行いました。さらに、分数量子ホール効果の最初のSTM測定を可能にし、アニオンなどのエキゾチックな創発粒子を画像化する将来の機会を約束するものです。
3. 研究の中で、特に自慢できる部分はありますか？
私は、革新的なアイデアを生み出し、それを実験や発見に結びつける能力に長けていると自負しています。この分野での私の歩みは、大学院1年のときに場の量子論を研究していたときに生まれた原始的なアイデアから始まりました。私は、電子ドープグラフェンの隣に正孔ドープグラフェンを置き、正孔のクーロン引力によって電子ドープ層内の2個の電子を対にすることで、フォノンによるクーパー対と同様の効果が得られるのではないかと考えたのです。このことがきっかけとなり、私は二層グラフェンヘテロ構造における超流動の生成と操作を粘り強く追及するようになりました。私の研究は、確かに重要な先行研究の上に成り立っていますが、重要な新発見のための新たな機会を見出すことができたと自負しています。この話は、ねじれた2層グラフェンの研究や、2次元ヘテロ構造に関するSTM実験でも繰り返されています。
4. 今後の研究の方向性について教えてください。
近い将来、自分の研究グループを立ち上げ、大きく2つの方向性に焦点を当てたいと考えています。1つ目は、汎用性の高いvdWヘテロ構造を利用して、新しい量子状態の物質や量子デバイスを作り出すことです。特に、新奇な凝縮体のエンジニアリングや、スピン液体のような新しい磁性状態の探索の可能性に期待しています。また、これらのvdWヘテロ構造における力学的自由度の操作や、発見した凝縮体を様々なプラットフォームで利用したコヒーレント量子デバイスの開発にも関心があります。
私の研究室の第2の方向性は、走査型トンネル顕微鏡を使って、グラフェン量子ホール状態、ツイストグラフェンプラットフォーム、様々な半導体モアレ二重層など、様々な二次元量子物質を調べることです。この分野は未開拓の分野であり、非常に大きな可能性を秘めています。私は、電子相関や超伝導の本質を解明し、電荷やスピンの秩序を明らかにし、アニオンなどのエキゾチックな創発粒子を発見したいと思っています。
5. 最後に感想をお願いします。
ポスドクとしての最初の2年間がそうであったように、研究は困難なものである一方、このような機会を含め、非常に満足のいく、充実したものである場合もあります。この栄誉を得ることができたのは、指導教官や同僚、特にPhilip Kim博士、Bertrand Halperin博士、Ali Yazdani博士、 Zeyu Hao、Cheng-li Chiu、Gelareh Farahi、J.I.A Li博士、 Cory R. Dean博士から受けた圧倒的なサポートがあってこそと、私は深く感謝をしています。さらに、この賞を設立したオックスフォード・インストゥルメンツ社と、私の仕事を認めてくれた委員会に大変感謝しています。
Xiaomeng Liu
2023年 Lee Osheroff Richardson賞受賞者
© オックスフォード・インストゥルメンツ 2024